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西藏 ASγ 实验首次发现 PeV 能量宇宙线源存在于银河系的证据
2021-03-31|文章来源:粒子天体物理中心 |【
 

  近日,中日合作西藏 ASγ实验观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射,最高能量达 957 TeV, 接近 1PeV (1000万亿电子伏特)这些超高能伽马射线的方向并没有指向已知的低能段伽马射线源,而是弥漫分布在银盘(银河系在天空的投影)上(见图1)是国际上首次发现拍电子伏特宇宙线加速器(PeVatron”)在银河系中存在的证据。该结果被美国物理学会(APS)评论为研究高能宇宙线起源“世纪之迷”的里程碑。 

   相关观测结果以 First Detection of sub-PeV Diffuse Gamma Rays from the Galactic Disk: Evidence for Ubiquitous Galactic Cosmic Rays beyond PeV Energies”为题202145在美国《物理评论快报》(Physics Review Letters,简称PRL)正式发表,并被作为高亮点论文加以推荐。美国物理学会(APS)届时将主持召开国际新闻发布会,请 ASγ 实验组中日两国科学家向国际媒体公布这一重大成果,并特邀领域专家对该成果进行解读。   

  高能宇宙线起源是一个世纪未解之谜,被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的物理问题之一。宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,主要由质子和其他原子核组成。通常低于几个 PeV能量的宇宙线被认为主要产生于银河系内,而能将宇宙线加速到 PeV 能量的天体也被称为是“拍电子伏特宇宙线加速器” (PeVatron)。根据理论模型,超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等是候选的PeVatrons”,但迄今为止并没有任何一个“PeVatrons”得到观测证实,其主要困难在于,带电的高能宇宙线粒子在银河系传播的过程中其运动方向会被磁场偏转,无法通过直接探测搜寻其源头方向。 

  高能宇宙线在传播过程中与星际介质碰撞可以产生能量约为宇宙线母粒子能量十分之一的高能伽马射线(被称为是“强子起源”的伽马射线);高能伽马射线不带电,沿直线传播。这次ASγ实验在银盘上发现超高能弥散伽马射线能谱特征与PeV能量宇宙线和银河系分子云碰撞产生伽马射线的模型预言相符,就像是 “PeVatron” 在银河系内留下的一串串“足迹”,PeVatron广泛存在于银河系的重要证据。 

  今年3月2日,西藏 ASγ实验发布了另一个相关的重要研究成果,首次发现超新星遗迹 SNR G106.3+2.7 方向存在超过100TeV100万亿电子伏特)的伽马射线。这些伽马射线的能量(大于100TeV)及空间分布特征表明 SNR G106.3+2.7是目前为止在银河系中发现的最可能的 PeVatron”候选天体。相关观测结果以 Potential PeVatron supernova remnant G106.3+2.7 seen in the highest-energy gamma rays”为题在《自然天文》(Nature Astronomy)正式发表。 

  综合起来,ASγ实验的这两项重要结果,分别从PeVatron”的候选天体和超高能弥散伽马射线在银河系内的空间分布结果表明PeV宇宙线加速器在银河系内存在,是朝着解开高能宇宙线起源的世纪之谜迈出的重要一步。  

  西藏 ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井镇(图2左)。2014年ASγ实验团队在现有65000平方米宇宙线表面阵列下面,增设了有效面积3400平方米的创新型的地下缪子水切伦科夫探测阵列(图2右),用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。在本项工作中,ASγ实验组综合利用地面和地下探测器阵列的数据,将100TeV以上的宇宙线背景噪声压低到百万分之一,从而极大地提高了伽马射线探测的灵敏度。这是ASγ实验近年来取得系列重大发现的关键技术基础。   

  ASγ实验由中科院高能物理研究所、中科院国家天文台等国内12个合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成。此次重要发现是中日合作双方 30 年持之以恒、不断创新、不断努力的结果。该项目得到中国科学技术部、中国国家自然科学基金委员会、中国科学院及日本文部省、学术振兴会(JSPS)等机构的支持。实验在西藏 30 年的建设与运行得到了西藏自治区各级政府及西藏大学的大力支持。   

  [1]本论文发表杂志: 

  杂志名:PHYSICAL REVIEW LETTERS(将在4月523点(北京时间)发行的电子版上刊登) 

  论文题目:First Detection of sub-PeV Diffuse Gamma Rays from the Galactic Disk: Evidence for Ubiquitous Galactic Cosmic Rays beyond PeV Energies  

  论文摘要链接: 

  https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0 

 

  图1: 西藏ASγ实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例在银道坐标系下的分布。这些超高能弥散伽马射线的能量在 400 TeV到 1 PeV 之间,表现出向银盘(图中水平中线)集中分布的特点。灰色阴影区域是ASγ实验无法观测的区域。背景色轮廓显示了银河系坐标中氢原子的分布(来源:https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm)

 

  图2: 我国西藏羊八井ASγ实验(左图:ASγ表面阵列;右图:地下水切伦科夫探测器)


 
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